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Nanofiltration in der
Badewasseraufbereitung
Dipl.-Ing. (FH) Michael Reis
Nanofiltration in der Badewasseraufbereitung
- Vorstellung Forschungsprojekt
- Membranauswahl
- Die Pilotanlage in Waghäusel
- Forschungsergebnisse am Beispiel THM
- Anwendungen
- Einsatz in der Praxis
- Blick in die Zukunft
Von 2013 bis 2017 lief ein gemeinschaftliches
Forschungsvorhaben von
DVGW-Forschungsstelle am Engler-Bunte-Institut,
Bereich Wasserchemie und Wassertechnologie,
am Karlsruher Institut für Technologie (KIT)
W.E.T.Wasser.Energie.Technologie GmbH in
Kasendorf
mit der Förderung der Deutschen Bundesstiftung
Umwelt (DBU).
„ Neue Verfahrenskombination von Ultra- und Nanofiltration zur
Minimierung gelöster Desinfektionsnebenprodukte bei der
Schwimmbeckenwasseraufbereitung“
NF-Membranauswahl
- chlorbeständige Membranen zeigten über einen längere
Zeitraum gute Rückhalteeigenschaften (DOC-Rückhalt > 80 %)
- jedoch niedrigere Permeabilität im Vergleich zu nicht
chlorbeständigen Membranen
- erhöhter Frischwasser- und Energieverbrauch
- nicht-chlorbeständige NF-Membranen und
Inaktivierung des Chlors vor der Membran
- nicht-chlorbeständigen Membranen haben eine mindestens
zweifach höhere Permeabilität bei besseren Rückhalteeigenschaften
im Vergleich zu chlorbeständigen Membranen
Rheintalbad in Waghäusel
Die Versuche wurden in einem öffentlichen Bad durchgeführt, mit
einem Schwimmerbecken und einem Nichtschwimmerbecken
- Wasservolumen 820 m³ im Kreislauf
- Verfahrenskombinationen nach DIN 19643-4
Flockung – Adsorption an Pulver-Aktivkohle (PAK) –
Ultrafiltration – Chlorung
- Volumenstrom 135 m³/h, k-Faktor 1,0 m-3, UF-Flux 200 L/m2h
- Durchschnitt ca. 200 Besucher pro Tag.
Freitag wegen Vereinsschwimmen ca. 350 Gäste/Tag
- Im Zusatzwasser DOC = 2,6 - 3,1 mg/L
Die Nanofiltration bereitet einen Teilstrom des Filtrats auf.
Leistung 2,5 m³/h,
80 % Ausbeute,
5 bar Transmembrandruck
Anlagen Kapazität: max.
1,85 % vom gesamten
Kreislauf
Sept 2014 - März 2015:
Aufbereitung von ca. 0,3 %
(4 Std. pro Tag)
März 2015 - Mai 2015:
Aufbereitung von ca. 0,46 %
(6 Std. pro Tag)
Ergebnisse
Es besteht kein direkter Zusammenhang zwischen Besucherzahl und
DOC im Beckenwasser.
Es gibt eine positive Korrelation
zwischen dem eingetragenen
DOC und der gebildeten
THM mit einer
Zeitverschiebung von
etwa 2 Tagen.
THM-Bildungspotential
Wasserproben DOC max. THMBP THMBP/DOC
mg/L µg/L µg/mg DOC
Schwimmbecken 2013
(n=3)
3,1 103 33,8±0,2
Schwimmbecken 2014 (n=5)
2,6 56 21,5±1,6
Rückhalt von THM
Während der Pilotversuche wurde die THM-Konzentration in Feed und
Permeat der Nanofiltration untersucht.
THM-Konzentration in Feed und Permeat
Zeit /Tage THM in Feed / µg/L THM in Permeat / µg/L
6 16 14
19 15 14
29 12 1336 11 10
57 16 16
69 13 12
83 9 10
186 8 6
Rückhalt von THM
THM wurde bei diesen Untersuchungen wenig zurückgehalten.
Ein möglicher Grund für den niedrigen Rückhalt ist die kleine
Molekülmasse von
THM (Trichlormethan 119,4 g/mol)
im Vergleich zur
Membrantrenngrenze (150 - 720 g/mol)
DNP-Bildungspotential
Das maximale Bildungspotential (BP) von AOX und THM in Permeat und
Feed wurde nach DVGW-Arbeitsblatt W 295 bei den Versuchen mit der
Pilotanlage bestimmt.
THM- und AOX-BP in der
Feed- und Permeat-Probe
Probenahme am 111. Betriebstag
DOC in Feed: 2,5 mg/L
DOC in Permeat: 0,2 mg/L
DNP-Bildungspotential
Durch die NF-Membran wurden 70 % des THM-BP und 80 % des AOX-BP
zurückgehalten.
Unter Berücksichtigung des Zeitversatzes (1 bis 2 Tagen) in der THM-
Bildung kann erwartet werden, dass eine zeitnahe Entfernung des DOC
(als DNP-Präkursoren) durch das Aufbereitungsverfahren, auch die THM-
Konzentration im Becken verringert werden kann.
Rückhalt von THM-Bildungspotential
Probe DOC THMFP THMFP/DOC
mg/L µg/L µg/mg DOC
Feed 2,8 45 15,7
Permeat 0,4 12 32,2
Rückhalt 87% 74%
THM-Simulation
ohne NF NF 4h/Tag
(0,3 %)
NF 6h/Tag
(0,46 %)
NF 8h/Tag
(0,6 %)
QFW (m3/Tag) 20,3 (22,2) 22,6 24,0 25,3
Ergebnis
Aufgrund der verzögerten THM-Bildung im Vergleich zum Eintrag an
organischen Stoffen kann eine Entfernung der Präkursoren in der
Aufbereitung die Bildung von DNP minimieren.
Dabei erweist sich die Nanofiltration als geeignetes Verfahren.
Vergleich der Verfahren
UF und NF mit UF und PAK
Parameter Anzahl
Badegäste pro
Tag
DOC AOX THM* Frischwasser-
Verbrauch
MW Max MW Max MW Max
mg/L µg/L µg/L m3/Tag
UF + PAK 208 3,3 4,3 328 524 26 50 22,2
UF + NF 237 2,7 3,5 293 419 20 23 17,2
MW= Mittelwert THM* = berechnet als Chloroform
- Die DOC-Konzentration wurde zu mehr als 80 % entfernt, und
damit die Präkursoren der DNP zu verringert
- Die Kombination von „UF+NF“ zeigt eine etwas bessere
Verringerung der AOX-Konzentration und eine ca. 25 %ige
Reduzierung der THM-Konzentration im Vergleich zum Einsatz von
„UF+PAK“.
- Bei „UF+NF“ wurde 25 % weniger Frischwasser verbraucht
- Es gab eine geringfügige Abnahme des gebundenen Chlors
- Insgesamt konnte eine Verringerung der organischen Verbindungen
festgestellt werden.
- Die Dosierung von Pulver-Aktivkohle wurde in Waghäusel
eingestellt und eine kleinere Nanofiltration wird weiter betrieben.
Weitere Rückhalteraten
durch der von uns untersuchten NF-Membranen:
AOX 90 - 98 %
Chlorat 80 - 95 %
Chlorid 80 - 95 %
DOC 70 - 92 %
Nitrat 75 - 85 %
Harnsto ff (CH₄N₂O) 50 - 70 %
Trihalogenmethane 40 - 50 %
Gebundenes Chlor 5 - 35 %
Wirtschaftlichkeit
Für den Betrieb der Nanofiltration werden Antiscalant, Mittel zur
Entchlorung und Aufhärtung sowie Strom benötigt.
20 % des Teilstroms werden als Konzentrat verworfen.
Vergleich mit anderen Verfahren zur Reduzierung von
Desinfektionsnebenprodukten:
Nach unseren Berechnungen sind die Betriebskosten der NF geringer
als bei einer PAK-Dosierung, aber höher als bei einem Filter mit Korn-
Aktivkohle.
Reduzierung von nicht adsorbierbaren Stoffen:
Im Vergleich zur Verdünnung ist die NF durch Einsparung von Wasser
und Heizenergie günstiger.
Wirtschaftlichkeit
Beispielhafte Berechnung auf Basis Waghäusel bei 350 Betriebstagen
pro Jahr
Preis Nanofiltration PAK-Dosierung
Antiscalant 5,50 €/kg 175,00 € - €
Bisulfit 10,00 €/kg 650,00 € - €
Bicarbonat 2,50 €/kg 1.000,00 € - €
PAK 7,00 €/kg 8.000,00 €
Wasser 3,00 €/m³ 2.800,00 € - €
Strom 0,30 €/kWh 1.100,00 € 500,00 €
Jahreskosten 3.900,00 € 8.500,00 €
Ergebnis
Zusammenfassend zeigen die Ergebnisse, dass
„Nanofiltration im Teilstrom“ ein geeignetes wirtschaftliches
Verfahren zur Verringerung von
Desinfektionsnebenprodukten ist und darüber hinaus
gegenüber den derzeitig eingesetzten Verfahren
ökonomische und ökologische Vorteile aufweist.
Nanofiltration 600 l/h
Anwendungen
- In Regionen mit hohem Gehalt an organischen Stoffen im
Zusatzwasser, wird auch ohne Badegäste das Beckenwasser
belastet. Diese organischen Stoffe sind oft die Vorstufe zu
gebundenem Chlor und Trihalogenmethanen
- Bei Edelstahlbecken wird von den Herstellern ein Höchstwert für
Chloride angegeben, der derzeit nur durch erhöhte Zugabe von
Füllwasser eingehalten werden kann.
- Erhöhte Werte von Chlorat können wassersparend gesenkt werden
Andere Länder
- Schweiz
Chlorat 4 mg/l, Reduzierung durch Verdünnung
Harnstoff Hallenbäder < 1mg/l, Freibäder < 2mg/l,
Reduzierung durch Aktivkohlefilter teilweise mit Ozon
- Finnland
Grenzwert für Nitrat bei Becken für Babyschwimmen
Reduzierung durch Verdünnung
Blick in die Zukunft
- Die Dimensionierung der NF im Zusammenhang mit
Kreislaufvolumen und Inhaltsstoffen muss noch genauer
definiert werden
- Variabler Betrieb der NF-Anlage (belastungsorientierte
Aufbereitung)
- Die Materialeigenschaften der chlorbeständigen
Membranen sollten verbessert werden
Die Ergebnisse wurden veröffentlicht im:
Für Fragen stehe ich Ihnen
gerne zur Verfügung
Dipl.-Ing. (FH) Michael Reis